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An innovative and sustainable continuous process for the development of high quality

trimethyl phosphite

Layman’s Report

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With the contribution of the LIFE Programme of the European Union under grant agreement LIFE14/ENV/IT/000346

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About LIFE-Trialkyl

Chemicals are an essential component of the EU citizens’ daily lives: the chemical sector is the most strategic one for the EU area, generating a chemical sale of € 542 bln in 2017.

Nowadays, sustainability and innovation are becoming increasingly central to the development and long-term vision of chemical companies, which are looking for new technological solutions in order to reduce environmental impact and to offer new and successful alternatives to the market.

It is in this context that the LIFE-Trialkyl project was launched by Italmatch Chemicals S.p.A. (I), with the support of SC Sviluppo chimica S.p.A. (I) and RISE Research Institutes of Sweden (SE) and the fi nancial contribution of the LIFE Programme.

The project is a perfect example of successful synergy among R&D, process technology and environmental issues with the scope to serve our market with always new smart eco sustainable solutions.

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RISE

Italmatch Chemicals S.p.A.SC Sviluppo chimica S.p.A.

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Le sostanze chimiche sono una componente essenziale della vita quotidiana dei cittadini dell’UE: il settore chimico è infatti un importante settore strategico per l’Europa, con un fatturato pari a € 542 miliardi nel 2017.

Oggigiorno, sostenibilità e innovazione sono sempre più al centro dello sviluppo e della visione a lungo termine delle aziende chimiche, alla ricerca di nuove soluzioni tecnologiche per ridurre l’impatto ambientale e per offrire al mercato alternative nuove e di successo.

È in questo contesto che il progetto LIFE-Trialkyl è stato lanciato da Italmatch Chemicals S.p.A. (I), con il supporto di SC Sviluppo chimica S.p.A. (I) e RISE Research Institutes of Sweden (SE) e il contributo fi nanziario del Programma LIFE.

Il progetto è un esempio perfetto di sinergia tra R&S, tecnologia di processo e questioni ambientali, con l’obiettivo di servire il nostro mercato con soluzioni eco-sostenibili intelligenti e sempre nuove.

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The Framework

Trimethylphosphite (TMPi) is an organophosphorus compound used in a large variety of applications, including crop protection, fl ame retardants, plastics production, childcare products and pharmaceuticals. Whilst TMPi itself requires careful handling (possibility of skin, respiratory tract and eyes irritation) there are no conclusive data on its toxicity on humans health and on environment. However, in current state of the art technologies, the TMPi production involves chemical intermediaries (tertiary ammines) which are all categorized as highly dangerous substances. Additionally the wastewater produced needs to be treated and neutralized chemically, with a consequent negative environmental impact.

At the same time, one of the long-term objectives that Europe is pursuing is to try to fi nd solutions to achieve self-suffi ciency on phosphorus, a strategic raw material of which Europe is almost totally dependent on imports (more than 90% of the phosphorus comes from countries outside the EU) and to support sustainable development by of innovative technologies to bring back the production of its products derivatives in Europe.

The LIFE-Trialkyl project will rethinks the TMPi production by avoiding the aforementioned dangerous chemicals, demonstrating a highly sustainable novel and effi cient continuous process for the production of TMPi, that could make Europe independent from the import of this intermediate.

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Il trimetilfosfi to (TMPi) è un composto organofosforo utilizzato in una grande varietà di applicazioni, tra cui la protezione delle colture, i ritardanti di fi amma, la produzione di materie plastiche, di prodotti per l’infanzia e di prodotti farmaceutici. Sebbene il TMPi richieda un’attenta manipolazione (potrebbe infatti causare irritazioni alla pelle, alle vie respiratorie e agli occhi), non esistono dati conclusivi sulla sua tossicità per la salute umana e per l’ambiente. Tuttavia, allo stato dell’arte, la produzione di TMPi coinvolge intermediari chimici (ammine terziarie), tutti classifi cati come sostanze altamente pericolose. Inoltre le acque refl ue prodotte richiedono di essere trattate e neutralizzate chimicamente, con un conseguente negativo impatto ambientale.

Parallelamente, uno degli obiettivi a lungo termine che l’Europa sta perseguendo è individuare soluzioni per raggiungere l’autosuffi cienza sul fosforo, materia prima strategica della quale l’Europa è quasi totalmente dipendente dall’importazione (più del 90% del fosforo proviene da paesi fuori EU), e di supportare lo sviluppo sostenibile di tecnologie innovative per riportare la produzione dei suoi derivati in Europa.

Il progetto LIFE-Trialkyl ha ripensato la metodologia di produzione di TMPi, evitando le suddette sostanze chimiche pericolose e arrivando a dimostrare la possibilità di un nuovo processo continuo altamente sostenibile ed effi ciente, che potrebbe portare l’Europa a non essere più dipendente dall’importazione.

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The 3 main actions of the project

1. PREPARATORY ACTIONSPreparatory actions were fundamental for the project success: all parameters, targets, regulations and components have been de� ned. Importantly laboratory tests have been � nalized, especially regarding the continuous TMPi synthesis and chemical reactions conditions. The pilot line has been designed according to the national and EU regulations and the local authorities authorization to install the prototype has been requested.

2. IMPLEMENTATION ACTIONSA pilot line has been started-up and the prototype of TMPi (starting from different processing parameters) has been manufactured and tested. Finally, the pilot line has been assessed, � ne-tuned and validated also in presence of relevant industrial stakeholders.

3. MONITORING ACTIONSThe monitoring of the impact of the project actions has been done through:• the control of relevant environmental indicators (i.e. energy and water

consumption, volatile chemicals emissions);• the performance of a thorough Life Cycle Assessment (LCA), considering the

entire value chain from raw materials to products disposal;• a preliminary eco-toxicological assessment and preliminary market and socio-

economic analyses.

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1. AZIONI PREPARATORIELe azioni preparatorie sono state fondamentali per il successo del progetto: sono stati de� niti e quanti� cati tutti i parametri, gli obiettivi, i regolamenti e gli elementi necessari. Sono state completate importanti prove di laboratorio, in particolare per quanto riguarda le condizioni di sintesi continua di TMPi e delle reazioni chimiche. L’impianto pilota è stato progettato secondo le normative nazionali e comunitarie ed è stata richiesta l’autorizzazione alle autorità locali per l’installazione del prototipo.

2. AZIONI DI IMPLEMENTAZIONEL’impianto pilota è stato avviato ed è stato prodotto e testato un prototipo di TMPi (partendo da diversi parametri di lavorazione). In� ne, la linea pilota di produzione è stata messa a punto e validata anche in presenza di soggetti industriali interessati.

3. AZIONI DI MONITORAGGIOIl monitoraggio dell’impatto delle attività del progetto è stato fatto attraverso:• il controllo di indicatori ambientali pertinenti (come ad esempio il consumo di

energia e di acqua, le emissioni di sostanze chimiche volatili); • lo sviluppo di un Life Cycle Assessment (LCA), considerando l’intera catena del

valore dalle materie prime allo smaltimento dei prodotti;• una valutazione eco -tossicologica preliminare e delle analisi socio-economiche

e di mercato.

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The technological innovation

In June 2016, the pilot plant was set up in Italmatch Chemicals production plant located in Arese (Milano).

The technological innovation consists in the use of a prototype of a continuous software monitored process cycle based on PCl

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alcohols. It is an alternative to the current production processes, based mainly on tertiary amines and phenyl derivatives, for the production of trialkylphosphites, with particular attention to trimethylfosphite. The criticalities concern the technological development of a known but not yet industrialized synthesis, limiting the formation of by-products while safeguarding the economic and environmental sustainability of the process.

LIFE- Trialkyl project overcame such limitations after years of research, by developing an industrial production concept characterized by:

• use of anhydrous ammonia;

• well controlled in real time process parameters;

• temperature monitoring;

• multiple input cells to a one-stage reactor.

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A giugno 2016 è stato realizzato l’impianto pilota nello stabilimento di produzione di Italmatch Chemicals ad Arese (Milano).

L’innovazione tecnologica consiste nello sviluppo, mediante un prototipo, di un processo a ciclo continuo basato sul PCl

3 e alcoli,

alternativo ai processi di produzione attuali di trialchilfosfi ti, basati principalmente sulle ammine terziarie e sui fenil-derivati, con un’attenzione particolare al trimetilfosfi to. Le criticità riscontrate riguardano lo sviluppo tecnologico di una sintesi nota ma non ancora industrializzata, che limita la formazione di sottoprodotti e salvaguarda la sostenibilità economica e ambientale del processo.

Il progetto LIFE-Trialkyl, dopo anni di ricerca, è riuscito a superare tali limiti, sviluppando un processo industriale caratterizzato da:

• uso di ammoniaca anidra;

• un controllo in tempo reale dei parametri di processo;

• il monitoraggio della temperatura;

• più celle di ingresso a un reattore monostadio.

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Results

LIFE-Trialkyl meets the EU Research and Innovation policy by providing a solution that answers to the needs of a more green and sustainable chemistry.

First results showed an increasing effi ciency towards the expected process indicators in terms of reaction yield, purity, energy consumption, waste reduction and water saving. In particular:

• water management: 100% water consumption saving and 100% waste water saving;

• energy consumption: 20-30% energy reduction;

• typology of intermediates and by-products;

• safer chemical processes.

LIFE-Trialkyl soddisfa i criteri dell’attuale politica di ricerca e innovazione dell’UE, fornendo una soluzione che risponde alle esigenze di una chimica più verde e sostenibile.

I primi risultati hanno mostrato una maggiore effi cienza rispetto agli indicatori di processo attesi in termini di rendimento di reazione, purezza, consumo energetico, riduzione dei rifi uti e risparmio idrico. In particolare, per quanto riguarda:

• la gestione delle acque: risparmio del 100% sui consumi idrici e del 100% sulle acque refl ue;

• il consumo energetico: 20-30% di riduzione energetica;

• la tipologia di prodotti intermedi e sottoprodotti ottenuti;

• l’utilizzo di processi chimici più sicuri.

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The

Product

Basic needs • technical performance• cost performance• legal compliance

Phenol free and safe• no physiological activtiy• sustainable

Stable and safe processing

• controlled vapour pressure and volatility

• thermal stability• low water solubility

Maintain properties of polymer

• minimal interference with polymer structure

Maintain properties over polymer lifetime • no migration in polymer/

no leaching• low impact on

mechanical properties

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The socio-economic impact

The products resulting out of LIFE- Trialkyl innovative process are widely used in the chemical industry as intermediates for agricultural and pharmaceutical applications as well as highly performing additives for the plastics industry, including, for example a more sustainable PVC.

For this reason, the LIFE-Trialkyl project has also a relevant socio-economic impact. The production of TMPi in Europe will allow:

• the generation of a social care chemical industrial product, making phenol-free and more fl exible products for the new demands of a market increasingly attentive to the sustainability;

• the reduction of long-distance transport by avoiding importation from Asia;

• the EU regained leadership in the chemical additives segment;

• the enhancement of circular economy in the chemical industry.

Indicator Technology 1 - Tertiary amine process

Technology 2 –Transesterifi cation

Technology 3 –LIFE-Trialkyl process Saving

Energy consumption 5 kWh/kg 5-6 kWh/kg 3,5-4 kwh/kg 20-30%

Continuous processing No No Yes -

Use of dangerous chemicals

PCl3, methanol, tertiary amines, chlorinated solvents, NaOH, aromatic solvents

Phenol derivates, methanol PCl3, NH3, anhydrous, ROH Avoidance of NaOH, Chlorinated solvents, aromatic solvents, tertiary amines, Phenols derivates

Water consumption 8 l/kg water ~ 0 l/kg 0 l/kg Up to 100%

Wastewater 4,1 l/kg N/A Not expected Up to 100%

Logistics (to Europe) China 14.000 km,India 9.000 km

China: ca 14,000 kmIndia: ca 9,000 km

0 (theoretical speaking – no necessity to import from Far East)

100% (theoretical)15% expected after 3 years from the demonstration

Air quality (VOCs) < 150 ppm < 150 ppm < 5 ppm Quality improvement compared to other technologies

By-products useful for other sectors (circular economy) None None 1,4 kg NH4Cl/kg -

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I prodotti ottenuti attraverso questo il processo innovativo di LIFE-Trialkyl sono ampiamente utilizzati nell’industria chimica come intermedi per applicazioni agricole e farmaceutiche e come additivi altamente performanti per l’industria delle materie plastiche, tra cui, ad esempio, un PVC più sostenibile.

Per queste ragioni, il progetto LIFE-Trialkyl ha anche un impatto socio-economico importante. La produzione in Europa del TMPi permetterà:

• la generazione di un prodotto chimico industriale di interesse sociale, rendendo disponibili prodotti privi di fenolo e prodotti più fl essibili per le esigenze di un mercato sempre più attento alla sostenibilità;

• la riduzione di trasporti a lunga distanza, evitando così di importare il prodotto dall’Asia;

• di aiutare l’Europa a riconquistare la leadership nel segmento degli additivi chimici;

• di rafforzare e implementare il concetto di economia circolare nell’industria chimica.

Indicator Technology 1 - Tertiary amine process

Technology 2 –Transesterifi cation

Technology 3 –LIFE-Trialkyl process Saving

Energy consumption 5 kWh/kg 5-6 kWh/kg 3,5-4 kwh/kg 20-30%

Continuous processing No No Yes -

Use of dangerous chemicals

PCl3, methanol, tertiary amines, chlorinated solvents, NaOH, aromatic solvents

Phenol derivates, methanol PCl3, NH3, anhydrous, ROH Avoidance of NaOH, Chlorinated solvents, aromatic solvents, tertiary amines, Phenols derivates

Water consumption 8 l/kg water ~ 0 l/kg 0 l/kg Up to 100%

Wastewater 4,1 l/kg N/A Not expected Up to 100%

Logistics (to Europe) China 14.000 km,India 9.000 km

China: ca 14,000 kmIndia: ca 9,000 km

0 (theoretical speaking – no necessity to import from Far East)

100% (theoretical)15% expected after 3 years from the demonstration

Air quality (VOCs) < 150 ppm < 150 ppm < 5 ppm Quality improvement compared to other technologies

By-products useful for other sectors (circular economy) None None 1,4 kg NH4Cl/kg -

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Environmental implications

LIFE-Trialkyl represents an important innovation, in line with the European Environment Action Program to 2020.

• WATER, EMISSIONS, ENVIRONMENT AND WASTE MANAGEMENT

LIFE-Trialkyl innovation reduces the water required in the production process by up to 100% for the foreseen TMPi production in EU and wastewater production by 100% (~ 9 M l/y might be saved in the EU area). The only by-products of the process are TMPi and NH

4Cl, which

can be used as fertilizer, towards a circular economy.

In addition, LIFE-Trialkyl addresses energy consumption and reduces the TMPi production energy by 20-30%.

• SUSTAINABILITY

The chemical formulation and the new industrial process allow sustainable alternatives in terms of chemical reactions pathways and of industrial processing. Spreading the sustainability of results obtained will maximize the potential application of the technological innovation, also enhancing future collaborations with industrial and academic community.

LIFE-Trialkyl rappresenta un’importante innovazione, in linea con il Programma europeo per l’ambiente al 2020.

• ACQUA, EMISSIONI, AMBIENTE E GESTIONE DEI RIFIUTI

L’innovazione generata da LIFE-Trialkyl permette la riduzione fi no al 100% di acqua utilizzata nel processo produttivo per la produzione di TMPi in Europa e permette la riduzione fi no al 100% della produzione di acque refl ue (~ 9 milioni di l/anno potrebbero essere risparmiati in Europa). Infatti, gli unici sotto-prodotti del processo sono il TMPi e l’NH

4Cl, che possono essere riutilizzati come fertilizzanti, nell’ottica di

un’economia circolare.

Inoltre, LIFE-Trialkyl riduce del 20-30% l’energia necessaria per produrre il TMPi, ottimizzando il consumo energetico.

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The LIFE-Trialkyl Project in short

Project acronym LIFE-Trialkyl

Project reference LIFE 14 ENV/IT/000346

Funding and Topic LIFE Programme - Environment

Total Budget 2.243.969,00 €

Start and end date 16 JUL 2015 to 16 JUL 2019

Leader Italmatch Chemicals S.p.A. (I)

Partners SC Sviluppo chimica S.p.A (I) RISE Research Institutes of Sweden (SE)

• SOSTENIBILITÀ

La nuova formulazione chimica e il nuovo processo industriale consentono alternative sostenibili in termini di reazioni chimiche e di trasformazione industriale. Diffondere la sostenibilità dei risultati ottenuti massimizzerà la potenziale applicazione dell’innovazione tecnologica, rafforzando anche le future collaborazioni con la comunità industriale e accademica.

Italmatch Chemicals S.p.A.Norberto Gatti • Sales & Marketing Directorn.gatti@italmatch.com

SC Sviluppo chimica S.p.A.Chiara Monaco • Communication&P.R. Junior Managerc.monaco@sviluppochimica.it

RISE • Research Institute of Sweden ABTove Mali’n • Technical Manager & Project Leadertove.malin@ri.se

For more informationVisite our website: www.life-trialkyl.eu

With the contribution of the LIFE Programme of the European Union under grant agreement LIFE14/ENV/IT/000346